La historia de las grasas lubricantes se remonta a más de 3000 años atrás, cuando las antiguas civilizaciones usaban sustancias como grasa de cordero y buey como un primitivo lubricante en los ejes. La era moderna del desarrollo de la grasa comenzó con el descubrimiento del petróleo en los Estados Unidos, que condujo a la creación de grasas multiuso en las décadas del treinta y del cuarenta. Hoy en día, la grasa a base de hidroxidoestearato de litio, inventada en 1942, representa más del 50 % del mercado, y su aplicación más exigente es en los rodamientos. En la fig. 1, puede verse una imagen ampliada de una grasa de litio típica.

El extraordinario rendimiento de las grasas lubricantes se atribuye ampliamente a sus propiedades reológicas, que determinan cómo fluyen y se comportan en distintas condiciones. Las grasas muestran una excepcional combinación de características de sólidos y líquidos, que hacen que sean, a la vez, resistentes a fugas y altamente fluidas cuando están sometidas a fuerzas de cizallamiento.

Imaginémonos un rodamiento lleno de grasa en reposo. En este estado, la grasa se comporta como un sólido, lo que impide que salga fácilmente del rodamiento. Esto es una ventaja fundamental respecto del uso de solamente aceite, puesto que asegura que el lubricante permanezca en su sitio, incluso en zonas donde no actúen fuerzas de cizallamiento, como en las prolongaciones de la jaula, sellos y soporte.

No obstante, cuando el rodamiento empieza a girar, la grasa experimenta una transformación extraordinaria. Al estar sometida a fuerzas de cizallamiento, su viscosidad aparente disminuye, con lo que puede fluir más fácilmente. Este comportamiento fluidizante por cizallamiento se produce como resultado de la microestructura de la grasa, que está compuesta de una red de fibras formada por moléculas espesantes.

Durante la fase inicial de “agitado” del funcionamiento del rodamiento, la grasa está sometida a una energía de cizallamiento sustancial, lo que provoca que las fibras se alineen y que la red se altere temporalmente. Esto conduce a un descenso significativo de su viscosidad, lo que hace que sea altamente móvil y capaz de fluir dentro de las zonas críticas del rodamiento.

A medida que el rodamiento continúa funcionando, la grasa entra en la fase de “sangrado”, cuando solo se produce un flujo lento y cauteloso. Durante esta fase, los depósitos semifijos de grasa, formados en zonas sin barrer del rodamiento, liberan lentamente el aceite base, y rellenan las delgadas capas lubricantes en los caminos de rodadura. Este rellenado es fundamental para que el rodamiento alcance una larga vida útil, puesto que asegura un constante suministro de lubricante.

Para comprender el complejo comportamiento de las grasas lubricantes, hemos desarrollado diversos modelos y simulaciones. Uno de estos enfoques es el uso de la dinámica molecular de grano grueso, que permite estudiar, a un nivel de mesoescala, las interacciones entre los componentes de la grasa. Véase la fig. 2 para un ejemplo del tipo de sistemas que simulamos. Obsérvese que, a pesar de que se muestra solo una imagen bidimensional, las simulaciones son tridimensionales.

En este estudio, hemos creado un modelo computadorizado que simula una suspensión de fibras semiflexibles que interactúan y representan el espesante de la grasa. Estas fibras están sumergidas en un disolvente implícito, que representa el aceite base. Al ajustar la longitud, rigidez y concentración de las fibras, pudimos investigar cómo influyen estos parámetros en las propiedades reológicas de la grasa. En la fig. 3, se muestra una representación visual de las interacciones entre las fibras usadas en nuestro marco de modelización.

Las simulaciones revelaron varios aspectos fascinantes. En primer lugar, descubrimos que las fibras más largas y rígidas, al igual que las concentraciones más altas de fibras, tienden a alinearse más estrechamente con la dirección de la fuerza de cizallamiento aplicada. Esta alineación se produce como resultado de la resistencia de las fibras a la deformación, puesto que las más rígidas y largas son menos susceptibles a colapsar o cambiar su orientación con las fuerzas de cizallamiento.

Las simulaciones también mostraron que la viscosidad de la grasa aumenta con la longitud, rigidez y concentración de las fibras. Esto concuerda con los modelos teóricos existentes, que pronostican que la presencia de partículas no esféricas, como las fibras de grasa, añaden resistencia al flujo, lo que lleva a una mayor viscosidad (fig. 4).

Otro dato interesante es que pudimos profundizar más en el comportamiento individual de las fibras. Observamos que la deformación por cizallamiento aplicada a la grasa alarga las fibras e incrementa las tensiones de tracción entre ellas. Aunque la energía por unión permanece constante en estado de equilibrio, la longitud de las fibras se incrementa cuanto están sometidas a cizallamiento, lo que hace que las más largas sean más propensas a romperse debido a tensiones más elevadas.

También exploramos el comportamiento de la grasa bajo cizallamiento oscilatorio, que simula las condiciones de carga dinámica que se producen en muchas aplicaciones. Las simulaciones mostraron que, tanto el módulo de conservación (que representa el componente elástico) como el módulo de pérdida (que representa el componente viscoso) aumentan con la longitud, rigidez y concentración de las fibras, tal como se muestra en la fig. 5. Esto concuerda con las observaciones experimentales y proporciona conocimientos valiosos de las propiedades viscoelásticas de la grasa.

El amplio marco de modelización desarrollado en este estudio ofrece una herramienta potente para explorar el comportamiento de las grasas a escalas de tiempo y longitud de una manera que no es fácilmente accesible mediante experimentos. Mientras que los hallazgos actuales han sido fundamentalmente cualitativos, contamos con que el presente enfoque servirá como una base valiosa para el desarrollo de formulaciones de grasa más avanzadas y la optimización de su rendimiento en diversas aplicaciones.

En conclusión, las grasas lubricantes son un material extraordinario que ha evolucionado durante siglos, y su complejo comportamiento continúa fascinando tanto a investigadores como ingenieros. Al desentrañar los misterios de la reología de la grasa mediante modelización computadorizada, podemos obtener una mayor comprensión de esos versátiles lubricantes, y preparar el terreno para el desarrollo de soluciones aún más eficientes y confiables para una amplia gama de industrias.